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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleitringdichtungsanordnung mit einer Überwachungsmöglichkeit einer geometrischen Form eines Dichtspalts zwischen Gleitflächen von Gleitringen.
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Gleitringdichtungsanordnung sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Zwar werden Gleitringdichtungsanordnungen im Betrieb grundsätzlich berührungslos betrieben, da zwischen den Gleitflächen der Gleitringe im Dichtspalt ein Gas oder eine Flüssigkeit vorhanden ist, allerdings kann im Betrieb ein Verschleiß an den Gleitflächen auftreten. Weiterhin kann im Betrieb auch eine unzulässig hohe Leckage auftreten. In Theorie ist eine Breite des Dichtspalts zwischen den Gleitringen konstant, da die Gleitflächen der Gleitringe parallel zueinander liegen sollten. Im Betrieb können auch aufgrund von äußeren Einflussfaktoren geometrische Veränderungen des Dichtspalts auftreten. Hierbei kann ein sogenannter V-Dichtspalt auftreten, bei dem die Gleitringe am inneren Umfang einen kürzeren Abstand als am äußeren Umfang aufweisen. Weiterhin kann auch umgekehrt ein sogenannter A-Dichtspalt auftreten, bei dem die Gleitringe am äußeren Umfang einen geringeren Abstand als am inneren Umfang aufweisen. Die geometrische Form des Dichtspalts hängt häufig davon ab, wie ein Anwender der Gleitringdichtungsanordnung die Betriebsbedingungen für die Nutzung der Gleitringdichtungsanordnung auswählt oder ändert. Eine übermäßig lange Nutzung der Gleitringdichtungsanordnung mit einem V-Dichtspalt oder einem A-Dichtspalt kann neben einer erhöhten Leckage auch eine unzulässig hohe Abnutzung an den Gleitflächen an den Bereichen, welche nur einen kurzen Abstand im Dichtspalt aufweisen, nach sich ziehen. Um derartig nachteilige Betriebsbedingungen für die Gleitringdichtungsanordnung zu vermeiden, sollte jedoch feststellbar sein, welche geometrische Verformung im Dichtspalt, d.h. ein V-Dichtspalt oder ein A-Dichtspalt, im Betrieb vorliegt. Dies ist jedoch nicht so einfach möglich. Die
DE 197 23 327 A1 und die
EP 0 077 206 A1 zeigen Gleitringdichtungsanordnungen mit Überwachungsmöglichkeiten der Gleitringdichtungsanordnungen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleitringdichtungsanordnung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine Möglichkeit bietet, eine sichere Feststellung einer geometrischen Form eines Dichtspalts im Betrieb zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Gleitringdichtungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine geometrische Form eines Dichtspalts zwischen Gleitflächen von Gleitringen fehlerfrei erfasst werden kann. Dabei ist der Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung mit Dichtspaltbestimmung sehr einfach und kostengünstig. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass am stationären Gleitring der Gleitringdichtungsanordnung, welcher einen Grundkörper und eine Gleitfläche aufweist, wenigstens ein erster und ein zweiter Sensor angeordnet sind. Dabei ist der erste Sensor auf einem ersten Radius R1 auf der Gleitfläche angeordnet. Der zweite Sensor ist auf einem zweiten Radius R2 auf der Gleitfläche angeordnet, wobei der zweite Radius R2 unterschiedlich zum ersten Radius R1 ist. Weiterhin sind der erste und zweite Sensor in Umfangsrichtung des Gleitrings an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Durch die Anordnung der Sensoren auf unterschiedlichen Radien und unterschiedlichen Umfangspositionen sind die Sensoren eingerichtet, eine Überwachung des Dichtspalts zwischen den Gleitflächen der Gleitringe hinsichtlich einer Querschnittsform des Dichtspalts auszuführen. Somit kann mittels der Erfindung bestimmt werden, ob die Gleitringdichtung im Betrieb einen V-Dichtspalt oder einen A-Dichtspalt aufweist oder ob die Gleitflächen parallel zueinander sind und der Dichtspalt eine konstante Breite über die gesamte Gleitfläche in Radialrichtung aufweist. Ein großer Vorteil der Erfindung liegt ferner darin, dass die Feststellung, welche geometrische Form der Dichtspalt zwischen den Gleitringen aufweist, tatsächlich im laufenden Betrieb möglich ist. Dadurch kann ein Nutzer der Gleitringdichtungsanordnung Betriebsparameter einer Maschine, an welcher die Gleitringdichtungsanordnung abdichtet, ändern, um einen Einfluss auf die geometrische Form des Dichtspalts zu nehmen, um einen V-Dichtspalt oder A-Dichtspalt zu verhindern oder zumindest zu reduzieren. Dies hat dann positive Auswirkungen auf eine mögliche Leckage im Betrieb sowie einen Verschleiß der Gleitflächen im Betrieb. Weiter sind mehrere Sensoren vorgesehen, wobei jeder der mehreren Sensoren auf einem anderen Radius an der Gleitfläche angeordnet ist.
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Ein besonders einfacher Aufbau der Gleitringdichtungsanordnung ergibt sich, wenn der erste und zweite Sensor an der Gleitfläche an einander gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind. Mit anderen Worten sind der erste und zweite Sensor um 180° an entgegengesetzten Positionen an der Gleitfläche angeordnet.
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Vorzugsweise sind drei Sensoren vorgesehen, wobei jeweils ein Sensor in Umfangsrichtung vom benachbarten Sensor um 120° beabstandet ist. Weiter alternativ sind genau vier Sensoren vorgesehen, die jeweils um 90° versetzt entlang des Umfangs angeordnet sind.
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Weiter bevorzugt sind die Sensoren zur Bestimmung der geometrischen Form des Dichtspalts alle vom gleichen Sensortyp. Besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Bestimmung der geometrischen Form des Dichtspalts werden erreicht, wenn vorzugsweise der erste Sensor am inneren Umfangsrand des Gleitrings angeordnet ist und/oder der zweite Sensor am äußeren Umfangsrand des Gleitrings angeordnet ist. Wenn der erste Sensor am inneren Umfangsrand und der zweite Sensor am äußeren Umfangsrand des Gleitrings angeordnet ist, sind die Sensoren an den in Radialrichtung des Gleitrings am weitesten entfernten Positionen angeordnet, so dass eine besonders sichere Erfassung der geometrischen Form des Dichtspalts möglich ist.
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Die Sensoren der Gleitringdichtungsanordnung sind vorzugsweise Verschleißsensoren.
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Die Verschleißsensoren sind besonders bevorzugt derart aufgebaut, dass die Verschleißsensoren basierend auf einer Änderung einer elektrischen Größe einen Verschleiß erfassen können. Besonders bevorzugt umfasst eine Verschleiß-Messeinrichtung eine elektrische Stromquelle, einen Sensor (Messbereich) an der Gleitfläche, eine elektrische Zuleitung, die die Stromquelle mit dem Sensor elektrisch verbindet, und eine elektrische Rückleitung, welche den Sensor mit der Stromquelle elektrisch verbindet. Der Sensor ist vorzugsweise in einer Vertiefung in der Gleitfläche angeordnet oder alternativ auf der Gleitfläche und mit einer Beschichtung überdeckt, welche die gesamte Gleitfläche des Gleitrings überdeckt.
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Alternativ wird für die Sensoren als Sensortyp ein Temperatursensor verwendet. Bei Auftreten eines V-Dichtspalts oder eines A-Dichtspalts ergeben sich im Betrieb an den Bereichen, an welchen die Gleitflächen näher beieinander sind, höhere Temperaturen. Durch einen Temperaturvergleich der wenigstens zwei Temperatursensoren kann dann bestimmt werden, ob ein A-Dichtspalt oder ein V-Dichtspalt vorliegt. Wenn die Temperaturen gleich sind, kann daraus geschlossen werden, dass der Dichtspalt in Radialrichtung eine konstante Breite aufweist.
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Weiter bevorzugt umfasst die Gleitringdichtungsanordnung eine Mess- und/oder Steuereinheit, welche eingerichtet ist, basierend auf einem Ergebnis der Bestimmung der geometrischen Form des Dichtspalts Betriebsparameter der Gleitringdichtungsanordnung zu ändern. Hier kann beispielsweise eine Drehzahl der Gleitringdichtungsanordnung und/oder bei Verwendung eines Sperrfluids einer Druckhöhe des Sperrfluids und/oder eine zusätzliche Kühlung für die Gleitringdichtungsanordnung angepasst werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Draufsicht eines stationären Gleitrings der Gleitringdichtungsanordnung von 1,
- 3 eine schematische Schnittansicht entlang der Linie III-III von 2 des stationären Gleitrings,
- 4 eine schematische Schnittansicht, welche einen V-Dichtspalt darstellt,
- 5 eine schematische Schnittansicht, welche einen A-Dichtspalt darstellt, und
- 6 eine schematische Draufsicht eines stationären Gleitrings einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 eine Gleitringdichtungsanordnung 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gleitringdichtungsanordnung 1 eine Gleitringdichtung 2 mit einem rotierenden Gleitring 3 und einem stationären Gleitring 4. Zwischen einer Gleitfläche 30 des rotierenden Gleitrings 3 und einer Gleitfläche 40 des stationären Gleitrings 4 ist ein Dichtspalt 5 definiert.
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Die Gleitringdichtung 2 dichtet dabei an einer Welle 11 einen Produktbereich 12 von einem Atmosphärenbereich 13 ab. Der rotierende Gleitring 3 ist mittels eines Gleitringträgers 31 mit der Welle 11 verbunden.
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Der stationäre Gleitring 4 ist an einem feststehenden Gehäuse 14 angeordnet.
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Der stationäre Gleitring 4 ist im Detail aus den 2 und 3 ersichtlich. Der stationäre Gleitring 4 weist dabei einen Grundkörper 41 auf, an welchem die zum rotierenden Gleitring 3 gerichtete Gleitfläche 40 ausgebildet ist.
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Der stationäre Gleitring 4 umfasst ferner einen ersten Sensor 6 und einen zweiten Sensor 7. Die beiden Sensoren 6, 7 sind dabei als Verschleißsensoren ausgebildet.
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Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, sind der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 auf der Gleitfläche 40 des stationären Gleitrings angeordnet. Dabei ist der erste Sensor 6 auf einem ersten Radius R1 angeordnet und der zweite Sensor 7 auf einem zweiten Radius R2 angeordnet. Der erste Radius R1 ist dabei größer als der zweite Radius R2.
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Der erste Sensor 6 ist dabei an einem äußeren Umfang des stationären Gleitrings 4 angeordnet und der zweite Sensor 7 ist an einem inneren Umfang des stationären Gleitrings 4 angeordnet.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, sind der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 in Umfangsrichtung des Gleitrings an unterschiedlichen Positionen derart angeordnet, dass sich der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 um 180° bezüglich einer Mittelachse X-X der Gleitringdichtungsanordnung gegenüberliegen.
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Der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 sind grundsätzlich gleich aufgebaut, was im Detail aus 3 ersichtlich ist, welche Details des ersten Sensors 6 zeigt. Der Sensor 6 ist Teil einer Verschleiß-Messeinrichtung, welche einen aktuellen Verschleiß des stationären Gleitrings 4 der Gleitringdichtung 2 erfassen kann. Der Verschleiß wird dabei direkt an der Gleitfläche 40 des stationären Gleitrings 4 erfasst. Die Verschleiß-Messeinrichtung umfasst neben dem ersten Sensor 6 eine elektrische Stromquelle 60, eine elektrische Zuleitung 61 und eine elektrische Rückleitung 62. Die elektrische Zuleitung verbindet die Stromquelle 60 mit dem Sensor 6. Die elektrische Rückleitung 62 verbindet den Sensor 6 mit der Stromquelle 60.
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Somit ist in den stationären Gleitring 4 ein elektrischer Stromkreis integriert, wobei der Sensor 6 an der Gleitfläche 40 angeordnet ist.
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Wie im Detail aus 3 ersichtlich ist, ist in der Gleitfläche 40 eine in Umfangsrichtung bogenförmige Vertiefung 42 ausgebildet. In die bogenförmige Vertiefung 42 ist ein elektrisch leitfähiges Material eingebracht, welches den Sensor 6 bildet. Das elektrisch leitfähige Material ist beispielsweise Titannitrid. Eine Oberfläche des Sensors 6 ist dabei plan zur Gleitfläche 40 des stationären Gleitrings 4.
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Zur elektrischen Kontaktierung des Sensors 6 ist in dem stationären Gleitring 4 eine erste Bohrung 43 und eine zweite Bohrung 44 eingebracht. Die beiden Bohrungen 43, 44 sind dabei derart ausgebildet, dass jeweils eine Bohrung an einem Endbereich der bogenförmigen Vertiefung 42 mündet. Die erste und zweite Bohrung 43, 44 sind dabei vollständig durch den Grundkörper 41 bis zu einer Rückseite 40a des stationären Gleitrings 4 hindurchgeführt. Die beiden Bohrungen 43, 44 verlaufen dabei parallel zur Mittelachse X-X der Gleitringdichtungsanordnung 1 geradlinig durch den Grundkörper 41.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, ist die erste Bohrung 43 und die zweite Bohrung 44 jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Füllmaterial 8 ausgefüllt. Die Füllmaterialien 8 bilden eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Zuleitung 61 bzw. der Rückleitung 62 und dem Sensor 6. Das Material des stationären Gleitrings ist vorzugsweise eine elektrisch nicht leitende Keramik oder eine Keramik mit schlechter elektrischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise SiC.
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Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, dass eine Beschichtung über die Gleitfläche und den Sensor 6 aufgebracht wird.
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Der zweite Sensor 7 ist identisch wie der erste Sensor 6 aufgebaut, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann.
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Zur Verschleiß-Messung wird nun Strom an den ersten Sensor 6 und den zweiten Sensor 7 unabhängig voneinander angelegt. Tritt nun ein Verschleiß an den Sensoren 6, 7 durch Abrieb der Sensoren 6, 7 auf, ändert sich der elektrische Widerstand des Stromkreises, was als Indikator für den Verschleiß an den Gleitflächen verwendet werden kann. Somit kann die Verschleiß-Messeinrichtung 6 den Verschleiß am ersten und zweiten Sensor 6, 7 bestimmen.
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Da der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 um 180° einander gegenüberliegend angeordnet sind und auf unterschiedlichen Radien R1 und R2 angeordnet sind, kann bei einem ungleichmäßigen Verschleiß des ersten Sensors 6 im Vergleich zum zweiten Sensor 7 auf die geometrische Form des Dichtspalts 5 geschlossen werden. Die 4 und 5 zeigen schematisch mögliche geometrische Formen des Dichtspalts 5. In 4 ist ein sogenannter V-Dichtspalt 50 dargestellt, bei dem die Gleitringe voneinander am radial äußeren Umfang einen größeren Abstand als am radial inneren Umfang aufweisen. 5 zeigt einen sogenannten A-Dichtspalt 51, bei dem die beiden Gleitringe am radial inneren Umfang einen größeren Abstand als am radial äußeren Umfang aufweisen.
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Durch die Anordnung der beiden Sensoren 6, 7 auf unterschiedlichen Radien R1, R2 ergibt sich nun ein unterschiedlicher Verschleiß an den entsprechenden Bereichen des Gleitrings. Bei einem V-Dichtspalt ergibt sich an den radial nach innen gerichteten Bereichen der Gleitringe ein größerer Verschleiß als an den radial nach außen gerichteten Bereichen der Gleitringe. Bei einem A-Dichtspalt 51 ergibt sich ein größerer Verschleiß an den radial nach außen gerichteten Bereichen der Gleitringe im Vergleich zu den radial nach innen gerichteten Bereichen der Gleitringe. Somit kann durch die Auswertung der Verschleißsignale des ersten Sensors 6 und des zweiten Sensors 7 Rückschluss gezogen werden, ob im Betrieb ein V-Dichtspalt 50 oder ein A-Dichtspalt 51 vorliegt. Sollten die Verschleißsensoren einen gleichmäßigen Verschleiß am ersten und zweiten Sensor 6, 7 messen, kann davon ausgegangen werden, dass der Dichtspalt eine konstante Breite in Radialrichtung, wie theoretisch gefordert, aufweist.
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Sollte durch die beiden Verschleißsensoren ein unterschiedlicher Verschleiß festgestellt werden, kann mittels einer Messeinheit 10, welche mit der elektrischen Stromquelle 60 verbunden ist und eine Auswertung der Messsignale ausführt, beispielsweise eine entsprechende Warnung an einen Nutzer der Gleitringdichtungsanordnung 1 ausgegeben werden. Der Nutzer kann dann eine Maschine, an welcher die Gleitringdichtungsanordnung abdichtet, mit anderen Vorgaben betreiben, um einen ungleichmäßigen Verschleiß an den Gleitflächen, welche zu einem V-Dichtspalt oder einem A-Dichtspalt führen können, entgegenzuwirken.
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6 zeigt einen stationären Gleitring 4 einer Gleitringdichtungsanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 6 ersichtlich ist, weist die Gleitringdichtungsanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels am stationären Gleitring 4 einen ersten Sensor 6, einen zweiten Sensor 7, einen dritten Sensor 6' und einen vierten Sensor 7' auf. Alle vier Sensoren sind auf unterschiedlichen Radien angeordnet. Der erste Sensor 6 ist auf einem Radius R1 angeordnet, der zweite Sensor 7 auf einem zweiten R2 angeordnet, der dritte Radius 6' auf einem dritten Radius R3 angeordnet und der vierte Sensor 7' auf einem vierten Radius R4 angeordnet.
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Wie aus 6 ersichtlich ist, sind die vier Sensoren jeweils um 90° versetzt zu benachbarten Sensoren entlang des Umfangs des stationären Gleitrings 4 angeordnet.
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Der erste Sensor 6 und der zweite Sensor 7 sind wie im ersten Ausführungsbeispiel Verschleißsensoren. Der dritte Sensor 6' und der vierte Sensor 7' sind beispielsweise Temperatursensoren. Durch das Vorsehen von vier Sensoren kann eine redundante Messung erfolgen, um Rückschlüsse auf eine geometrische Form des Dichtspalts 5 ziehen zu können. Der dritte Sensor 6' und der vierte Sensor 7' können beispielsweise auch Temperatursensoren sein, da bei Auftreten eines V-Dichtspalts oder eines A-Dichtspalts aufgrund der unterschiedlichen Abstände zwischen den Gleitflächen auf unterschiedlichen Radien unterschiedliche Temperaturen an Radialpositionen im Dichtspalt herrschen können. Die Temperaturunterschiede sind wiederum ein Indikator für das Vorliegen eines V-Dichtspalts bzw. eines A-Dichtspalts. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 6 Bezug genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gleitringdichtungsanordnung
- 2
- Gleitringdichtung
- 3
- rotierender Gleitring
- 4
- stationärer Gleitring
- 5
- Dichtspalt
- 6
- erster Sensor
- 6'
- dritter Sensor
- 7
- zweiter Sensor
- 7'
- vierter Sensor
- 8
- elektrisch leitfähiges Füllmaterial
- 10
- Messeinheit
- 11
- Welle
- 12
- Produktbereich
- 13
- Atmosphärenbereich
- 14
- Gehäuse
- 30
- Gleitfläche des rotierenden Gleitrings
- 31
- Gleitringträger
- 40
- Gleitfläche des stationären Gleitrings
- 40a
- Rückseite des stationären Gleitrings
- 41
- Grundkörper
- 42
- bogenförmige Vertiefung
- 43
- erste Bohrung
- 44
- zweite Bohrung
- 50
- V-Dichtspalt
- 51
- A-Dichtspalt
- 60
- elektrische Stromquelle
- 61
- Zuleitung
- 62
- Rückleitung
- R1
- erster Radius
- R2
- zweiter Radius
- R3
- dritter Radius
- R4
- vierter Radius
- X-X
- Mittelachse
